變頻調速矢量控制策略與MATLAB仿真

1、摘要：本文首先介紹了交流調速傳動的國內外現狀，再以勵磁同步電動機為例 分析其按磁通定向的矢量控制原理， 最后按電壓模型構建 MATLAB 仿真模型， 仿真結果證明該矢量控制原理可有效控制勵磁同步電動機， 達到高效調節(jié)的目 的。關鍵詞： 交流調速；勵磁同步電動機；矢量控制； MATLAB 仿真中圖分類號： TB 文獻標識碼： AThe Vector Control Strategy of AC Adjustable SpeedGao FengHuaiAn College of Informaitong Technology JiangSu HuaiAn 2230)03Abstract: This

2、 paper introduces the domestic and overseas actual state of AC adjustable speed drive firstly, then takes SM as an example and analyzesthe vector control principle, establishesthe MATLAB simulation model at last. The simulation result testifies that the principle can control the SM availably and ach

3、ievesthe purpose to adjust the SM highly effectively.Key words: adjustablespeed; excited synchronous motor; vector control; MATLAB simulation1.1采用新型功率半導體器件和脈寬調制（PWM技術1 交流調速控制國內外現狀經過大約 30 年的時間，隨著 關鍵技術的發(fā)展，如功率半導體 器件（包括半控型和全控型）制 造技術、電力 電子 電路的電力變 換技術、交流電動機控制技術以 及微型 計算機和大規(guī)模集成電路 為基礎的全數字化控制技術。目 前交流傳動已經上升為電氣

4、調速 傳動的主流，相信在不久的將來， 交流電氣傳動將會完全取代直流 電氣傳動。 為了進一步提高交流 傳動系統(tǒng)的性能，國內外有關研 究工作圍繞以下幾個方面展開：功率半導體器件的不斷進 步，尤其是新型可關斷器件，如 BJT （雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管） 、 IGBT （絕緣柵雙極型晶體管）的實用 化，使得開關高頻化的 PWM 技 術成為可能。目前功率半導體器 件正向高壓、大功率、高頻化、 集成化和智能化方向發(fā)展。典型 的電力電子變頻裝置有電壓源型 交-直-交變頻器、電流源型交 -直- 交變頻器和交 -交變頻器三種。 電 流型交 -直-交變頻器可用于頻繁 加減速等對動態(tài)性能有

5、要求的單 機應用場合，也有應用在大容量 風機、泵類節(jié)能調速中。對于負 載電動機而言，電壓型變頻器相 當于一個交流電壓源，在不超過 容量限度的情況下，可以驅動多 臺電動機并聯(lián)運行。此外，矩陣 式交 -交變頻器功率密度大， 而且 沒有中間直流環(huán)節(jié)，省去了笨重 而昂貴的儲能元件，為實現輸入 功率因數為 1、輸入電流為正弦 和四象限運行開辟了新的途徑。1.2 應用矢量控制技術、直接轉矩控 制技術及現代控制理論交流傳動系統(tǒng)中的交流電動 機是一個多變量、非線性、強耦 合、時變的被控對象。 20 世紀 70 年代初提出用矢量變換的方 法來研究交流電動機的動態(tài)控制 過程，不但要控制各變量的幅值， 同時還要控制

6、其相位，以實現交 流電動機磁通和轉矩的解耦，促 使了高性能交流傳動系統(tǒng)逐步走 向實用化。目前高動態(tài)性能的矢 量控制變頻器已經成功地應用在 軋機主傳動、電力機車牽引系統(tǒng) 和數控機床中。此外，為了解決 系統(tǒng)復雜性和控制精度之間的矛 盾，又提出了一些新的控制方法， 如直接轉矩控制、電壓定向控制 等。尤其隨著微處理器控制技術 的發(fā)展，現代控制理論中的各種 控制方法也得到應用，如二次型 性能指標的最優(yōu)控制和雙位模擬 調節(jié)器控制、滑模（ Sliding mode ）變結構控制、 狀態(tài)觀測器 和卡爾曼濾波器、自適應控制。 另外，智能控制技術如模糊控制、 神經元網絡控制等也開始應用于 交流調速傳動系統(tǒng)中，以提

7、高控 制的精度和魯棒性。1.3 廣泛應用微電子技術隨著微電子技術的發(fā)展，數 字式控制處理芯片的運算能力和 可靠性得到很大提高，這使得全 數字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬 器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適 于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單 片機、數字信號處理器（ DSP）、 專用集成電路（ASIC）等。1.4 開發(fā)新型電動機和無機械傳感器 技術交流傳動系統(tǒng)的發(fā)展對電動 機本體也提出了更高的要求。隨 著 20 世紀 80 年代永磁材料特 別是釹鐵硼永磁的發(fā)展，永磁同 步電動機的研究逐漸熱門和深 入。此外，開關變磁阻理論使開 關磁阻電動機（SRM）迅速發(fā)展, 其優(yōu)良的轉矩特性特別適合于要 求高靜態(tài)轉矩的應用場合

8、。針對 轉速（位置）反饋控制，許多學 者開展了無速度（位置）傳感器 控制技術的研究。該技術無需在 電動機轉子和機座上安裝機械式 的傳感器，具有降低成本和維護 費用、不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點， 將成為今后交流電氣傳動技術發(fā) 展的必然趨勢。2 矢量控制原理本文以勵磁同步電動機為 例，介紹其按磁通定向的矢量控 制原理。2.1.選取基準矢量勵磁同步電動機的矢量控制 選取氣隙磁鏈矢量巫為基準矢 量，其能更直接地反映定、轉子 耦合關系。此處忽略一些次要因數，如 電動機d-q軸磁路的差別、轉子阻 尼繞組的影響、定子繞組電阻及 漏抗的影響、磁化曲線的非線性 等等。一同步電動機的矢量圖如圖 2.1所示。MiS(F

9、S)仁* 儀Qs 1/,i 屮、Fc 戶 q0 ° (V眷 A d (a (圖2.1勵磁同步電動機矢量圖Fig.2.1 The vector diagram of excited synchronousmotor如圖2.2所示，轉子勵磁電 流矢量ie產生轉子磁通勢矢量Fr, 定子電流矢量is產生定子磁通勢 矢量Fs, is和ie合化成得磁化電流 矢量i : FHFs合成磁動勢矢量Fc, 由其產生氣隙磁鏈矢量卑矢量 i卩、Fc和申方向相同。磁鏈軸（百 軸）位于水平位置，站在 百軸上 看，這些矢量都在空間以同步角 速度以q反向旋轉。磁鏈矢量 屮 旋轉，在定子繞組中感應出定子 電動勢矢量e

10、s,其比3超前90°。 在忽略定子繞組漏抗和電阻壓降 條件下，定子us=es。磁鏈軸百與轉子軸d間的夾 角（也是磁鏈矢量3與勵磁電流 矢量的夾角）為負載角4，空載 時4=0，隨著負載轉矩增加而加 大。（是功率因數角。在L迄坐標系上分解定子電 流矢量is和轉子勵磁電流矢量i 得.s . s c4=1 cos 日 cs i席=issi ncs iei =ie cos®L 帝=-iesi n®L(2.1)由于is按平行四邊形法則 合成，所以(2.2)由統(tǒng)一轉矩公式，代入電流 矢量和磁通矢量之間的關系的同 步電動機轉矩公式Td = KmNs2isi usin 兀(2.3)

11、將其代入式(2.1),得Td =Kmsi 覽-KmsYis(2.4)得到勵磁電流磁化分量的給定5=1 申(2.7)式中Kms、Kms1為比例常數， iS2是定子電流矢量is的進分量（直 流量）,與轉矩成比例，故稱為定 子電流轉矩分量，q是磁鏈矢量屮 的分量。由矢量圖2.1得勵磁電流妙量給定為 R s ei =i申中i©(2.5):御:12 = 42(2.8)式中，心和心分別是定子電流矢 量is和勵磁電流矢量ie的召分量， 又稱磁化分量。轉矩Td與Q和i）兩個變量有 關，控制磁鏈幅值屮，使其等于 期望值屮審，轉矩只受定子電流轉 矩分量i控制，其給定值i$來自 轉速調節(jié)器（ASR）輸出的

12、轉矩 期望值Td*算出*1Td屮*ms1(2.6)ia.與q和電動機功率因數有 關，故它的給定值 常根據期望的 功率因數cos©討算。is和&同向 （電動機功率因數為1）,則常=0。所以直流勵磁裝置的勵磁電流給 定為i /常)2+(圈2 =曲)2*)2(2.9)算出的定子電流給定常和常送至 三相交流電流控制模塊（ACC） 輸入端，在ACC的控制下，電動 機定子實際電流的轉矩和磁化分 量i器和G為其給定值，算出的ie* 送至直流勵磁裝置（EUR），在勵 磁電流調節(jié)器（ARE）的控制下， 電動機勵磁電流實際值ie等于給 定值，從而實現轉矩和磁鏈控制。 ACC所需的磁鏈位置角信號

13、代來 自電機模型。勵磁同步電動機矢 量控制系統(tǒng)框圖如圖2.2所示，勵 磁電流給定計算環(huán)節(jié)設于電動機 模型中。圖2.2勵磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.2.2 Vector control system diagram of excited synchronous motor2.2勵磁同步電動機的模型勵磁同步電動機的模型用來 計算氣隙磁鏈矢量 屮（基準矢量） 的幅值申及瞬時空間位置角代和 直流勵磁電流給定ie*，供給ACC 和勵磁電流控制用。該模型有電 壓模型（VM ）和電流模型（IM ） 兩種。實際系統(tǒng)中兩者都用，VM 用于高速，IM用于低速。2.2.1電壓模型電壓模型的輸入是定子電壓 和

14、電流實際值經過 - P變換得 到的u：、u：和i：、i：,輸出是該模型 算出的氣隙磁鏈矢量q的幅值q及瞬時空間位置角叭。(2.11)圖3.2轉速給定和輸出波形磁鏈矢量空間位置角為典Ml f(2.12)=Jedte(|2"靈電流模型的輸出值等于磁鏈給定(2.13)勵磁同步電動機的模型有傳 統(tǒng)VM和改進VM兩種，這里介紹 改進VM方法。輸入量為氣隙磁鏈 在定子繞組感應的電動勢矢量 es,輸出邨勺幅值申及瞬時空間位 置角慎。3 MATLAB仿真(2.102.2.2電流模型同步電動機電流模型（IM ） 的計算基于給定值，輸入為：定 子電流磁化分量和電流分量給定 值磁化電流期望值i 及 轉子位

15、置角A （來自編碼器及轉 角位置測量環(huán)節(jié)），計算出邨勺幅 值申及其空間位置角申s及直流勵 磁電流給定ie*，用代替® s進行 坐標變換。MATLAB仿真的勵磁同步電動機電流模型選用電壓模型，構建仿真模型如圖3.1所示2。直流電源經三相逆變器供給電動機三相電源；由速度和轉矩給定經電由（2.7）和（2.8）式得直流 勵磁電流給定產的分量if和嗥, 負載角為壓模型得到三相逆變器的觸發(fā)脈 沖。e沖申tg-1圖3.1勵磁同步電動機MATLAB仿真模型Fig.3.1 MATLAB simulation model of excited synchronous motor勵磁同步電動機的轉速給定和輸出波形如圖3.2所示。Fig.3.2 the given and output waveform of the speed從圖3.2 可見，給定和輸出幾 乎完全重合，1.5s給定斜坡轉速， 輸出轉速與給定重合，2s時突加 給定轉矩-500，轉速n有個小范圍 的振動， 3.5s 給定斜坡向下轉速， 輸出轉速與給定重合，而4.5